健康老年妇女近段股骨骨密度和结构的 定量CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法研究
成都华西华科研究所分析健康老年妇女近段股骨骨密度和结构的 定量CT（QCT）骨密度测量体模软件检测方法研究
【摘要】目的采用定量CT(QCT)和双能X线吸收测量（DXA)仪对健康老年妇女近段股骨骨 密度（BMD)和骨结构进行研究，并对2种测量方法的结果进行比较。方法对66名65岁以上健康 妇女左侧髋关节进行DXA测量，计算出股骨颈和粗隆区BMD;对其双侧近段股骨进行QCT测量，计 算出股骨颈、粗隆区和整体股骨R0I的皮质骨、松质骨和总体骨的BMD和体积;并将QCT三维图像 模拟DXA的平面投影计算出模拟DXA股骨颈BMD和模拟DXA股骨粗隆区BMD。对所获数据进行 配对《检验或非参数秩和检验，并用Pmrwm法分析DXA和QCT相对应R0I的相关性。结果 用QCT可以对股骨近段不同R0I(股骨颈、粗隆区和整体股骨区）及不同骨成分(皮质骨、松质骨和总 体骨）的BMD及体积等参数进行精确的定量分析。除右侧股骨颈皮质骨BMD[( 0.52 土 0.04) g/cm3]、股骨粗隆区皮质骨BMD[ (0.49 ±0.03) g/cm3]、股骨粗隆区综合骨BMD[ (0.22 ±
0. 〇4) g/Cm3 ]大于左侧相应参数[分别为[(0. 51 士 0. 04)、（ 0. 48 ± 0. 03)、（0. 21 ± 0. 〇4) g/cm3 ]，差异 均有统计学意义（P值均<〇. 05)，但差别均<3. 3% ;而模拟DXA股骨颈BMD、模拟DXA股骨粗隆 区BMD、股骨颈皮质骨体积、股骨颈松质骨BMD、股骨颈松质骨体积、股骨颈综合骨BMD、股骨颈综 合骨体积、股骨粗隆区皮质骨体积、股骨粗隆区松质骨BMD、股骨粗隆区松质骨体积、股骨粗隆区综 合骨体积左侧参数分别为（〇. 52 ± 0. 10) g/cm2、（0. 78 ± 0. 13) g/cm2、5. 80 cm3、（0. 06 ± 0. 03) g/cm3、
(5. 19 ± 1. 40) cm3、（ 0. 25 ± 0. 04) ycm3、15. 66 cm3、（ 21. 74 ± 3. 43 ) cm3、（ 0. 08 ± 0. 03 ) g/cm3、
(34. 27 ±6. 09) cm3、（76. 12 ± 11. 11) cm3,右侧分别为（0. 52 ± 0. 10) g/cm2、（0.78 ±0. 13) g/cm2、
6. 01 cm3、（0. 06 ± 0. 02 ) g/cm3、（ 5. 17 ± 1. 27 ) cm3、（ 0. 25 ± 0. 04 ) g/cm3、15. 62 cm3、（ 22. 12 ±
3. 60) cm3、（0. 09 ±0. 03) g/cm3、（34. 17 ± 5. 94) cm3、（ 76. 53 ± 10. 71) cm3，差异均无统计学意义（尸值 均>0. 05)。左右两侧近段股骨QCT各相对应参数之间的r值范围在0. 656〜0. 955，均具有相关性 (P<0.05)。QCT模拟DXA股骨颈和粗隆区BMD与真正DXA测量的相应值之间r值分别为 0.685和0.855，具有相关性（P< 0.05)。结论利用QCT技术可以对老年妇女近段股骨不同区域 和不同成分的BMD和结构进行精确定量分析,QCT是骨质疏松研究中非常有用的测量技术。
【关键词】骨密度；体层摄影术，X线计算机；光密度测定法，X线
随着人口的老年化，骨质疏松的发病率也随之 增加，骨质疏松的临床后果是骨质疏松性骨折，尤其 是股骨近段骨折患者的病死率、致残率均高，关键在 于早期诊断和早期预防。双能x线吸收测量 (DXA)仪测量骨密度（BMD)是目前诊断骨质疏松 的金标准，髋关节是重要的测量部位之一。DXA是 平面投影成像，测量的是面积BMD，其受股骨形态、 大小和位置影响;DXA不能区分股骨近段皮质骨和 松质骨。定量CT( QCT)是利用普通的CT机加上校 准体模及软件对BMD和骨结构进行定量分析的方 法，与DXA相比较，QCT克服了 DXA的不足，具有 真正测量体积BMD而不受骨骼大小的影响,还可以 对骨的结构进行评价。QCT在腰椎使用比较广泛， 国内也有相关研究报道[1_3]。近年国外已有将QCT 技术应用在髋关节的BMD和骨结构分析的研究报 道[4_7]。了解正常老年妇女近段股骨的BMD和骨 结构的QCT表现，是进一步研究髋部骨折的基础。 同时QCT作为一种评价髋关节BMD和骨结构的新 技术，它与广泛使用的DXA测量BMD值之间的相 关性在国内尚未见有报道。为此，笔者在礼来妇女 健康中心（Lilly center for women's Health)国际研究 基金的资助下，与美国加州大学旧金山分校 (University of California, San Francisco; UCSF)合作 利用QCT和DXA对老年妇女近段股骨的BMD和 骨结构进行了研究,现报告如下。
资料与方法
I. 受检者:本研究项目经积水潭医院伦理委员
会批准实施。72名受检者来自北京社区65岁以上 健康妇女，在充分了解本研究的目的和要求后，自愿 参加。每名受检者填写1页健康状况问卷，除填写 年龄、身高，体重和绝经年龄等基本信息外，主要回 答有关影响骨代谢的相关问题，包括有无骨折史、长 期卧床、关节假体置换术、骨性关节炎、甲状旁腺机 能亢进，以及是否服用治疗骨质疏松的药物。72名 受试者根据问卷结果和（或）CT检查删除6名不符 合人选条件者，符合条件的66名受试者年龄65 ~ 85岁，平均（7〇 ± 4)岁。平均身高（157.6 ±
2. 3) cm、体重（62. 3 ±10.2) kg0
II. DXA BMD 测量:采用 Norland X36 DXA 测量 所有受检者左侧髋关节BMD。测量结果包括股骨 颈、粗隆区BMD。该DXA每日体模扫描7年多数 据计算出的体模BMD精密度误差（标准差/均数） 是 0_71%[8]。
III. CT 扫描:采用 GE CT Pro FII CT 机和 Image Analysis公司的BMD体模（放在髋关节和扫描床之 间），对双侧髋关节进行扫描。扫描范围至少包括 髋臼上5 mm到股骨小粗隆下5 mm。扫描参数： 3 mm层厚螺旋扫描，螺距1,120 kV，200 mAs,床高 152 mm,标准算法重建。图像以医学数字成像和 DIC0M格式存储于光盘并寄到UCSF放射科做 QCT分析。
QCT分析:近段股骨的QCT分析是在UCSF 放射科Thomas Lang教授实验室完成的。参照文 献[5,7]的方法，首先将轴面近段股骨CT图像 (图1)进行三维重组（图2)，由于股骨外表面与周围软组织的CT值差很大，可以用阈值法将骨组织 提取,软件将根据股骨上段（即股骨颈和粗隆区）解 剖标志自动确定股骨颈、粗隆区和整体股骨（即股 骨颈+粗隆区）R〇I(图3)。在每个R0I可以计算 出总体骨（即骨外表面内的所有体素，相当于皮质 骨+松质骨）、皮质骨(在骨皮质区髙于一定阈值的 体素）和松质骨（总体骨-皮质骨）部分的BMD、组 织体积和横断面积等参数（图4 ~6)。根据BMD和 骨组织的几何分布计算出骨强度的参数，股骨颈弯 曲强度指数（bending strength index, BSI)、股骨颈及 粗隆区压力强度指数（compressive strength index, CSI) [67]。Li等[7]对上述测量方法的重复性进行研 究,10名受试者重复测量2次的精密度误差除了股 骨颈的皮质骨和松质骨BMD分别是2.89%和 5.85%，其余QCT测量参数范围是0.72% ~ 1.56%。为了与DXA测量结果作比较，用软件将 QCT三维图像模拟DXA的平面投影计算出模拟 DXA股骨颈BMD和模拟DXA股骨粗隆区BMD。
IV. 统计学分析:采用SPSS 11.5统计学软件对 所有数据进行分析。检验水准定在〇.〇5。对计量 数据（如患者的基本信息及DXA、QCT测量的各种
参数）首先进行正态分布检验，如符合正态分布，以 元表示，左右两侧股骨之间比较采用配对《检验。 如不符合正态分布，则用M表示，左右两侧股骨之 间比较采用非参数秩和检验。采用法分析 DXA和QCT相对应R0I的相关性。
结 果
3. 正常老年妇女髋关节的DXA和QCT BMD与 骨结构测量结果:左侧髋关节DXA测量BMD的结 果分别为股骨颈（0.65 ±0.09) g/cm2、股骨粗隆区 (0. 55 ±0.09)g/cm2，DXA测量股骨颈的T值为 -1.99±0. 690
用QCT可以对股骨近段不同R0I [股骨颈、粗 隆区和整体股骨区，不同骨成分（皮质骨、松质骨和 总体骨）]的BMD、体积及骨强度等参数进行精确定 量分析。两侧近段股骨QCT测量相关结果见表1。
4. 左右侧近段股骨QCT两侧之间的差别和相 关性:老年妇女左右两侧近段股骨骨结构既密切相 关，又有细微差别。用配对《检验评价各相应参数 之间差异结果见表1。除右侧股骨颈皮质骨、粗隆 区皮质骨BMD和股骨粗隆区综合BMD大于左侧
图1髋关节CT横断面图像，髋关节和扫描床之间为Image Analysis公司的骨密度体模图2重建的髋关节三维图像图3髋关节三 维图像显示股骨颈(femoral neck)、粗隆区（trochanteric)和整体股骨（total femur) R0I所在位置图4股骨颈R0I的皮质骨（白色）图5 股骨颈R0I的松质骨（白色）图6股骨颈R0I的总体骨（白色），即松质骨+皮质骨
表1 66名健康老年妇女两侧近段股骨定量CT( QCT)测量参数结果
|
股骨 |
樽拟DXA股骨颈 樽拟DXA股骨粗隆区 |
股骨颈皮质骨 |
股骨颈皮质骨体积(cm3) |
||
|
BMD (g/cm2，无土 s) |
BMD(g/cm2 ±5) |
BMD(g/cm3，无土s) |
M值 |
范围 |
|
|
左侧 |
0.52 ±0.10 |
0.78 ±0. 13 |
0.51 ±0.04 |
5.80 |
4.61 -8.77 |
|
右侧 |
0.52 ±0. 10 |
0.78 ±0. 13 |
0. 52 ±0.04 |
6.01 |
4. 85 -9.64 |
|
统计值 |
(=-0.724 |
t= -0.921 |
t= -3.537 |
Z= -0.482 |
|
|
P值 |
>0.05 |
>0.05 |
<0.01 |
>0.05 |
— |
|
r值 |
0.789 |
0.936 |
0. 830 |
0.678 |
— |
|
股骨 |
股骨颈松质骨 |
股骨颈松质骨体积 |
股骨颈综合骨 |
股骨粗隆区皮质骨 |
股骨颈综合骨体积（cm3) |
|
BMD(g/cm3土；） |
(cm3，元 ± s) |
BMD( g/cm3 ± s) |
BMD( g/cm3，元 ± 〇 |
M值 范围 |
|
|
左侧 |
0.06 ±0.03 |
5. 19 ±1.40 |
0. 25 ±0.04 |
0.48 ±0.03 |
15.66 12.37-26.71 |
|
右侧 |
0.06 ±0.02 |
5. 17 ±1.27 |
0. 25 ±0.04 |
0.49 ±0.03 |
15. 62 12. 18 ~ 24. 07 |
|
统计值 |
0.078 |
t=0. 187 |
-1.875 |
t= -2.223 Z |
.=-0.294 |
|
P值 |
>0. 05 |
>0.05 |
>0.05 |
<0.05 |
>0.05 — |
|
»■值 |
0.912 |
0. 800 |
0.931 |
0. 900 |
0.751 — |
|
股骨 |
股骨粗隆区皮质骨体积 |
股骨粗隆区松质骨 |
股骨粗隆区松质骨体积 股骨粗隆区综合骨 股骨粗隆区 |
||
|
(cm3 ± 5) |
BMD (g/cm3,ic±s) |
(cm3，元 |
BMD(^cm3) |
综合骨体积(cm3) |
|
|
左侧 |
21. 74 土 3. 43 |
0.08 ±0.03 |
34. 27 ±6.09 |
0.21 ±0.04 |
76. 12 ±11. 11 |
|
右侧 |
22. 12 ±3. 60 |
0.09 ±0.03 |
34. 17 ±5.94 |
0. 22 ±0.04 |
76. 53 ± 10. 71 |
|
统计值 |
t= -1.059 |
t= -1.776 |
i =0.218 |
t = -2. 230 |
(=-0.409 |
|
P值 |
>0.05 |
>0.05 |
>0.05 |
<0.05 |
0.05 |
|
r值 |
0.656 |
0. 944 |
0.823 |
0.955 |
0.727 |
注:DXA:双能X线吸收测量;BMD:骨密度;一:无数据
相应参数，差异有统计学意义，但差别均<3. 3% ;其 余参数左右侧差异无统计学意义。用法评 价左右两侧近段股骨QCT各相对应参数之间的相 关性，结果见表1。左右侧近段股骨各测量参数都 密切相关，r值范围为〇• 656 ~ 0• 955。
3. QCT和DXA相对应ROI的BMD测量结果 的相关性：左侧QCT模拟DXA股骨颈BMD值 (0• 52 ±0. 10)g/cm2与DXA测量左侧股骨颈BMD (0.65 ±0.09) g/cm2 具有相关性 〇= 0.685,尸 < 〇.〇5)，左侧模拟DXA股骨粗隆区BMD(0.78 ± 0_13) g/cm2与DXA测量左侧粗隆区BMD (0.55±0.09)g/cm2之间具有相关性 〇 = 0.855, P<0. 05) 〇
讨 论
V. 股骨近段解剖及其对BMD测量的影响:解剖 上股骨前倾角是指股骨颈相对于股骨干冠状平面向 前倾的角度，该角度在正常白人妇女平均为1〇°，范 围为-2° -25°;而在香港的中国妇女该角度的平均 值是16。，范围是7。~28。[9]。DXA测量BMD是一 种投影图像，所以不同的股骨前倾角会影响BMD测 量的结果，即前倾角增大会使BMD升高[1°_11]。以 往的尸体股骨研究表明，股骨前倾本身可使股骨颈 的BMD比在无前倾位置时平均升高2. 8% ,范围为 -5. 3% ~9. 8% [1°]。这也就是DXA扫描髋关节时
要求腿内旋15°的原因。但每个人的前倾角不同， 旋转同一角度只能部分解决问题。而QCT是在CT 扫描图像的基础上进行三维重组，然后进行ROI的 划分和测量，所以不受股骨前倾角的影响。
VI. BMD与骨强度的关系：在受到夕卜力时，股骨 颈是否发生骨折取决于外力的大小和股骨颈的强 度，当外力超过股骨颈的强度时就会发生骨折[12]。 如何对人体股骨颈的强度进行无创性的评估是对骨 质疏松股骨颈骨折研究的核心问题[12]。Cheng 等[13]经尸体股骨研究表明，DXA测量股骨颈和粗 隆区的BMD与股骨最大载荷相关系数的平方（r2) 分别为0.71和0.88,认为DXA测量的BMD可以预 测股骨强度。在同一研究中，Cheng等[13]发现如果 用QCT测量，粗隆区的皮质骨面积是股骨最大载荷 的最好预测参数（一 =0. 83),其次是该区松质骨的 BMD〇2 =0. 69)，所有参数多因素分析表明QCT可 以预测股骨强度的87%。这些研究表明DXA和 (或）QCT都可以预测股骨强度，这是BMD测量用 于骨折危险性预测的基础。虽然这些测量与股骨强 度密切相关，高达0.88,但股骨强度预测的标准 误(&)仍有13.9%[14]。从力学角度来看，骨强度 除了与BMD密切相关外，还与骨组织的空间分布有 关，同时与骨髒所受的力学条件不同而异。与DXA 不同，QCT的图像可以提供骨组织空间分布的信 息，并能根据不同受力条件计算出相应的骨强度。
在QCT数据基础上建立的有限元模型（finite element model)，更是可以模拟在不同受力条件下骨 骼的最大载荷和骨组织内的压力分布。所以理论上 QCT能比DXA更好地预测骨强度，这有待于进一步
实验研究证实。
VII. 左右侧近段股骨的一致性和差别:本组数据 表明人体近段股骨左右两侧有很好的一致性，两侧 之间QCT各相应参数的r值范围在0. 656 ~ 0. 955 , 个别参数的差别< 3. 3%。这表明在对近段股骨的 BMD进行评价时，做其中的一侧是可行的，如果能 对两侧都进行测量则更加全面。
VIII. 与DXA相比QCT测量的优势:DXA测量髋 关节的BMD简单易行，精密度高，目前已在骨质疏 松诊断中广泛应用。与DXA的平面投影相比，QCT 利用CT扫描图像进行三维重组，所以QCT测量不 受人体骨骼大小、股骨前倾角的影响，测量结果更准 确。QCT可以分别对股骨不同区域的皮质骨和松 质骨BMD和结构进行评价，可以进一步了解皮质骨 和松质骨在股骨强度和骨折中的作用。根据QCT 数据和生物力学原理计算出的股骨颈弯曲强度指数 和压力强度指数更是超出BMD的范围，是真正意义 上对骨在不同受力条件下的力学强度进行定量分 析，这是DXA测量所不能提供的。在QCT数据基 础上建立的有限元模型，可以模拟在不同受力条件 下股骨颈内部的压力分布，并可预测出可能发生骨 折的部位。这样就可以在有限元模型上模拟各种生 物力学实验，而不像机械生物力学实验那样破坏骨 标本，而且每个骨标本的实验不能重复，是骨生物力 学实验很有用的研究工具[15]。同时髋关节的CT图 像可以用于骨关节疾病的影像诊断，这也是DXA所 无法做到的。
IX. 髋关节QCT测量的临床应用前景:虽然QCT 有上述的优点，但體关节QCT测量的不足是显而易 见的，首先QCT测量的辐射剂量是DXA测量的许 多倍，其次QCT的软件还不普及，另外QCT的费用 也比DXA高，所有这些都限制了 QCT在临床的广 泛应用。相信随着QCT软件的开发和普及,QCT在
骨质疏松的研究中会越来越普及，并最终在临床中 得到应用。
成都华西华科研究所研发生产QCT骨密度测量体模软件系统
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